強夯置換處理沙漠湖區(qū)礫石土路基試驗研究*

何麗平,王雪剛,林美鴻,滕 超

(1.中交四航工程研究院有限公司,廣東 廣州 510230;2.南方海洋科學與工程廣東省實驗室(珠海),廣東 珠海 519080)

本文結(jié)合新疆烏尉高速公路工程臺特瑪湖段水下填筑礫石土路基,開展礫石土水下路基強夯置換法深層處理,對不同夯擊能下礫石土路基的夯沉量、地表隆起量、超靜孔隙水壓力及消散情況進行監(jiān)測,采用重型動力觸探試驗、荷載試驗、工后沉降觀測檢測其加固效果,通過監(jiān)測及檢測結(jié)果對比礫石土路基強夯置換后墩體及墩間土的加固效應,從而為強夯置換法處理水下礫石土過渡段路基的加固效果提供依據(jù)。

1 路基地層分布及土層參數(shù)

選取新疆烏尉高速公路臺特瑪湖區(qū)里程K333+800—K333+850段礫石土路基進行強夯置換試驗,路基地層分布為礫石土回填層+湖底原狀粉砂層。試驗對水面以下礫石土路基(含水面以上0～1m)進行強夯置換處理,水面以下處理深度約5m,路基結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 沙漠湖區(qū)礫石土填筑路基

選取試驗區(qū)的礫石土及原地層粉砂進行室內(nèi)土工試驗,同時結(jié)合地質(zhì)勘探資料獲得試驗區(qū)路基土層參數(shù),如表1所示。

表1 沙漠湖區(qū)路基土層參數(shù)

2 強夯置換試驗施工參數(shù)及監(jiān)測項目

根據(jù)水下礫石土路基擬加固深度,強夯置換試驗采用2 500,3 500kN·m 2種能量進行試夯,夯點間距采用設計要求的3.5m,點夯夯點正三角形布置,其施工參數(shù)如表2所示。

表2 強夯置換施工工藝參數(shù)

強夯置換試驗進行夯沉量、地表隆起量及超靜孔隙水壓力的監(jiān)測及重型動力觸探試驗、載荷試驗、工后沉降觀測。

3 試驗結(jié)果對比分析

試夯過程中,多次回填礫石土置換料進行夯擊,根據(jù)現(xiàn)場夯擊過程中的夯沉量分別進行了3次填料:采用2 500kN·m能量置換夯擊時,前3擊夯擊造孔,第4,7,10擊夯擊前進行了3次置換料回填;采用3 500kN·m能量置換夯擊時,前2擊夯擊造孔,第3,6,9擊夯擊前進行了3次置換料回填。

3.1 夯沉量

分別選取2 500kN·m與3 500kN·m能量的夯點進行單擊夯沉量分析,其單點夯沉量與累計夯沉量隨擊數(shù)關系曲線如圖2所示。

圖2 單擊與累計夯沉量隨夯擊數(shù)變化曲線

由圖2可知,隨著夯擊數(shù)的增加,累計夯沉量逐漸增大,單擊夯沉量總體逐漸變小,但在每次回填置換料后第1擊單擊夯沉量都會有所增加,而后繼續(xù)減小。

觀測結(jié)果顯示,置換點夯過程中2 500kN·m能量單點夯擊數(shù)至12擊時滿足JTG D30—2015《公路路基設計規(guī)范》規(guī)定的最后兩擊平均夯沉量≤100mm的收錘標準,3 500kN·m能量單點夯擊數(shù)至11擊時滿足最后兩擊平均夯沉量≤100mm的收錘標準。

在各試驗區(qū)試驗點夯擊完成后,采用相同能量完成其余夯點的夯擊,剩余夯點無須量測每擊下的沉降量,只需量測后期夯擊快收斂時的夯沉量,直至滿足相應的收錘標準,最后統(tǒng)計各試驗區(qū)各夯點滿足收錘標準的夯擊數(shù),統(tǒng)計2 500kN·m能量試驗區(qū)內(nèi)夯點的夯擊數(shù)基本處在(12±1)擊范圍,可知2 500kN·m能量下夯點最佳夯擊數(shù)為12擊;統(tǒng)計3 500kN·m能量試驗區(qū)內(nèi)夯點的夯擊數(shù)基本處在(11±1)擊范圍,可知3 500kN·m能量下夯點最佳夯擊數(shù)為11擊。

3.2 地表隆起量

分別選取路基在2 500,3 500kN·m能量單點夯過程中每擊作用下距夯點中心2,3,4,5m位置的地表隆起量進行分析,其夯點周圍隆起量監(jiān)測結(jié)果如圖3所示。

圖3 地面隆起量變化過程曲線

由圖3可知,2種能量下距夯點中心2～5m位置在夯擊作用下地表均有輕微隆起量,2 500kN·m能量下最大隆起值8.6cm,3 500kN·m能量下最大隆起值9.1cm,表明在2種能量強夯置換后夯點周圍地面均以下沉為主,地表隆起量小。同時,2種能量的地表隆起值相差較小,表明地表隆起量在強夯置換過程中隨著能量的增長不呈正線性相關。

3.3 超靜孔隙水壓力

在礫石土每個試驗區(qū)分別埋設2組(4個)孔隙水壓力計,分析強夯置換加固在深度、水平向的影響范圍和超靜孔隙水壓力的消散情況,各孔隙水壓力計測頭的埋設如表3所示(孔壓編號KY1-1:KY為“孔壓”首字母,第1個“1”表示試驗區(qū)1,第2個“1”表示該試驗區(qū)第1個孔壓計)。

表3 孔隙水壓力計測頭埋設情況

3.3.1隨夯擊數(shù)的變化規(guī)律

選取礫石土夯擊點的監(jiān)測結(jié)果,繪制超靜孔隙水壓力隨夯擊數(shù)變化過程曲線,如圖4所示。

圖4 超靜孔隙水壓力隨夯擊數(shù)變化曲線

由圖4可知,隨著夯擊數(shù)的增加超靜孔隙水壓力累計上升,初期每擊作用下超靜孔隙水壓力的增量大,后期增量減小,從整體上看超靜孔隙水壓力隨著夯擊擊數(shù)迅速增大而后變化過程線呈較平緩狀態(tài);同時,從局部可看出在第2,3次回填置換料夯擊時超靜孔隙水壓力相比于前1擊有所降低而后繼續(xù)回升,而第1次回填置換料夯擊時超靜孔隙水壓力相比于前1擊繼續(xù)增大,原因主要有2個方面,一方面回填置換料需一定時間,在此過程中超靜孔隙水壓力會有一定消散,在第1次回填置換料時由于總超靜孔隙水壓力值還較小,回填后夯擊的超靜孔隙水壓力值增量會大于這段時間的消散值,所以在第1次回填置換料時累積超靜孔隙水壓力值還是增大,但在第2,3次回填置換料后夯擊的超靜孔隙水壓力值增量會小于這段時間的消散值,導致第2,3次回填置換料后出現(xiàn)超靜孔隙水壓力值降低現(xiàn)象;另一方面,每次回填置換料后能量傳遞至孔壓計的深度增加,導致夯擊時超靜孔隙水壓力值的增量變小。

3.3.2水平方向變化規(guī)律

選取礫石土強夯置換夯擊點的監(jiān)測結(jié)果,繪制距夯點中心3.5m和4.5m處超靜孔隙水壓力隨時間變化的過程曲線,如圖5所示。

圖5 不同水平間距下超靜孔隙水壓力隨時間變化曲線

圖5中橫坐標“相對時間”是指相對于第1次夯擊的時間,超靜孔隙水壓力達到峰值時夯擊滿足收錘標準,后續(xù)曲線為其消散過程。

由圖5可知,從整體上看,在2種能量下距夯點中心4.5m處土體與距夯點中心3.5m處的超靜孔隙水壓力基本一致,表明2種水平距離下土體加固效應基本一致,但在2 500kN·m能量下距夯點中心3.5m處的超靜孔隙水壓力比4.5m處的稍大,為保守起見,建議采用3.5m的夯點間距,也可證明試驗采用的3.5m夯點間距合理。

由圖5所示超靜孔隙水壓力達到峰值之后消散曲線可知,礫石土回填層的超靜孔隙水壓力在夯擊完成后大部分迅速消散,經(jīng)過約50min消散達80%,消散速度快,原地質(zhì)粉砂層的超靜孔隙水壓力在夯擊完成后大部分迅速消散,而后消散變緩,經(jīng)過約3h消散達80%,比礫石土消散的速度稍慢。路基的超靜孔隙水壓力消散表明在多遍點夯時路基可連續(xù)夯擊施工,無需中間等待時間。

3.3.3深度方向變化規(guī)律

選取礫石土強夯置換夯擊點的監(jiān)測結(jié)果,繪制埋深2.5m和5m處超靜孔隙水壓力隨時間變化過程曲線,如圖6所示。

圖6 不同深度下超靜孔隙水壓力隨時間變化曲線

由圖6可知,2種能量下埋深5m位置超靜孔隙水壓力比埋深2.5m位置的大,表明地基處理深度范圍內(nèi)下部地基比上部地基的強夯置換加固效應更好;在相同水平距離處,2 500kN·m能量的墩間土體超靜孔隙水壓力與3 500kN·m能量的相差不大,表明強夯置換過程中墩間土的加固效應受置換能量的影響小,強夯置換能量大小主要影響置換深度及墩體密實度。

3.4 加固效果檢測

對礫石土強夯置換試驗區(qū)進行重型動力觸探試驗檢測(每個試驗區(qū)3個檢測點:1置換墩中心土體、2置換墩連線中心墩間土、3置換墩幾何中心墩間土),并對比了兩試驗區(qū)強夯置換處理后的效果。繪制相同能量下礫石土加固前后重型動力觸探試驗結(jié)果對比圖,由于2種能量下不同檢測點加固前后動探變化趨勢一致,文中只列出3 500kN·m能量下加固前后對比圖,如圖7所示。

由圖7可知,3 500kN·m能量、夯點間距3.5m強夯置換處理后,置換墩土體加固效果明顯,重型動力觸探試驗平均擊數(shù)為16.4擊,遠大于墩體設計要求的8擊;墩間土的礫石土回填層及原粉砂層強夯置換加固后效果都有不同程度改善,礫石土重型動力觸探試驗平均擊數(shù)由5.3～5.6擊提高到7.8～7.9擊,提升38.2%～47.9%,粉砂重型動力觸探試驗平均擊數(shù)由7.2～7.4擊提高到9.1～9.7擊,提升26.7%～30.6%,加固后墩間土的動力觸探擊數(shù)均大于墩間土設計要求的6擊,表明強夯置換法加固地基時對非黏性的礫石土、粉砂墩間土具有密實效應,可改善墩間土的加固效果。

由圖8可知,3 500kN·m能量強夯置換處理后礫石土動力觸探擊數(shù)與2 500kN·m能量處理后墩體及墩間土的動力觸探擊數(shù)相差不大,表明在相同深度處2種能量下的加固效果基本一致,只是能量越大處理的深度越大。

圖8 不同測試點位礫石土加固后檢測結(jié)果對比曲線

強夯置換處理后路基除進行重型動力觸探試驗外,對夯后墩體的直徑進行了統(tǒng)計,墩體直徑主要集中在1.4～1.5m,相比于夯錘直徑1.2m,平均擴徑1.2倍;在2 500kN·m能量處理后墩體長度為5.2～5.5m,3 500kN·m能量為6.1～6.6m;對單墩復合地基進行了荷載試驗,壓板面積為10.6m2,加載至最大荷載300kPa時未破壞,試驗加載的最大沉降量為18.99mm,殘余沉降量為14.92mm,回彈率為21.46%,由試驗可知單墩復合地基承載力特征值≥150kPa,滿足設計要求。路基在強夯置換處理后形成了置換墩及墩間土組成的復合地基,即強夯置換地基,如圖9所示。

圖9 強夯置換地基示意

3.5 處理后路基工后沉降

強夯置換處理后對3 500kN·m能量試驗區(qū)進行了工后沉降觀測,觀測時間183d,路基累計平均沉降量為52mm(見圖10),觀測160d后路基沉降速率很小,基本無變化,經(jīng)試驗區(qū)觀測點的累計沉降統(tǒng)計后可知,經(jīng)強夯置換處理后路基工后沉降量為50～60mm,滿足高速公路過渡段工后沉降≤100mm的設計要求。

圖10 強夯置換處理后試驗區(qū)路基工后沉降觀測曲線

4 結(jié)語

1)沙漠湖區(qū)強夯置換法處理過渡段礫石土路基后墩體直徑為1.4～1.5m,平均擴徑1.2倍, 2 500kN·m 能量的單點最佳夯擊數(shù)宜為12擊, 3 500kN·m 能量的單點最佳夯擊數(shù)宜為11擊。

2)沙漠湖區(qū)過渡段礫石土路基2種夯擊能下夯點周圍地面均以下沉為主,地表隆起量小,表明強夯置換法加固有效,同時地表隆起量在強夯置換過程中隨著能量的增長不呈正線性相關。

3)礫石土回填層和粉砂層強夯置換時超靜孔隙水壓力隨著夯擊數(shù)的增加而累計上升,初期每擊作用下超靜孔隙水壓力的增量大,后期增量小;回填置換料夯擊時,除第1次回填外,超靜孔隙水壓力變化均是先降低而后繼續(xù)回升。

4)礫石土回填層超靜孔隙水壓力消散時間約50min,原粉砂層超靜孔隙水壓力消散時間約3h,粉砂比礫石土消散速度稍慢,但總體而言兩者超靜孔隙水壓力消散速度均非常快,強夯置換多遍點夯施工時每遍間可連續(xù)施工,無需中間等待時間。

5)2種能量下強夯置換的墩間土超靜孔隙水壓力及重型動力觸探值基本一致,表明置換能量大小主要影響地基置換深度及墩體密實度,對墩間土的加固效應影響小。

6)強夯置換處理后墩體加固效果明顯,重型動力觸探擊數(shù)平均值為16.4擊,遠大于墩體設計要求的8擊;墩間土-礫石土回填層加固后重型動力觸探擊數(shù)為7.8～7.9擊,墩間土-原粉砂層重型動力觸探擊數(shù)為9.1～9.7擊,加固后墩間土的動力觸探擊數(shù)均大于墩間土設計要求的6擊,表明強夯置換法處理水下過渡段路基時對無黏性的墩間土有密實作用。

7)3 500kN·m能量強夯置換處理后礫石土路基的單墩復合地基承載力特征值≥150kPa,處理后路基的工后沉降為50～60mm,強夯置換的處理效果均滿足設計要求。